In Frauenfeld realisiert Energie 360° zusammen mit Schweizer Zucker eines der innovativsten Holzheizkraftwerke Europas. Die gemeinsame Tochterfirma Bioenergie Frauenfeld AG liefert ab 2022 Strom für 8000 Haushalte und erneuerbare Wärme für die Zuckerfabrik und das angrenzende Wohnquartier. Das Besondere dabei: Beim Prozess fällt keine Asche an, und ein Teil des sich im Holz befindenden CO
2wird nicht in die Atmosphäre freigesetzt, sondern bleibt in Form von Biokohle gespeichert.
Stefan Ellenbroek, Energie 360° / Bioenergie Frauenfeld Marcel Huber, Syncraft®
Stefan Schaffner, IWK Kurt Lüscher*, Powerloop
KLIMAPOSITIVER STROM AUS HOLZ MIT WKK
ERNEUERBARE ENERGIE- UND BIOKOHLEPRODUKTION AUS HOLZ
EINLEITUNG
Der Fachverband Powerloop engagiert sich für eine sichere, sau- bere und bezahlbare Energieversorgung. Dazu fördert er die Verbreitung der Wärme-Kraft-Kopplung (WKK) und Power-to- Gas (P2G) und leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Versor- gungssicherheit im Winter und zum Netto-null-Ziel.
Die WKK eignet sich hervorragend für die sehr effiziente und zuverlässige Strom- und Wärmeerzeugung mit Biogas, Klärgas, Holzgas, Erdgas, synthetischen Gasen und Wasserstoff. Zu den WKK-Technologien gehören Brennstoffzellen mit wenigen kW, kleine Blockheizkraftwerke (BHKW) bis 200 kW, mittelgrosse Gasmotoren bis 10 MW sowie Gasturbinen und Gas- und Dampf- turbinenkraftwerke (GUD) mit mehreren Hundert MW.
Die P2G-Technologie produziert Wasserstoff aus den im Som- mer produzierten Stromüberschüssen aus Sonne, Wind und Wasser. Wasserstoff dient als speicherbarer und erneuerbarer Energieträger für die Strom- und Wärmeerzeugung mit WKK im Winter.
Um das gemeinsame Ziel Nullemission zu erreichen, müssen die Rohstoffe möglichst effizient genutzt werden. Zudem be-
RÉSUMÉ
DE L’ÉLECTRICITÉ RESPECTUEUSE DU CLIMAT À PARTIR DE BOIS AVEC CCF – PRODUCTION D’ÉNERGIE RENOUVELABLE ET DE BIOCHARBON
À Frauenfeld, Energie 360° réalise, avec Sucre Suisse, l’une des centrales de chauffage au bois les plus innovantes d’Europe. La filiale commune Bioenergie Frauenfeld AG fournira dès 2022 de l’électricité pour 8’000 foyers et de la chaleur renouvelable pour l’usine de sucre et le quartier résidentiel adjacent. La particularité:
ce processus ne produit pas de cendres, et une partie du CO2 de l’air qui se trouve dans le bois n’est plus libérée dans l’atmosphère, mais reste stockée sous forme de charbon biologique. Le bois résiduel régional est utilisé et transformé en électricité, chaleur et charbon biologique dans 4 unités de centrale électrique au bois.
La technologie de lit fixe suspendu développée en interne consti- tue le cœur de ces centrales à haut rendement. Alors que dans les réacteurs à lit fixe classiques, la gravité et le flux de gaz exercent une poussée vers le bas, provoquant ainsi une compression crois- sante du contenu du réacteur, ces deux forces agissent l’une con- tre l’autre dans le réacteur à lit fixe suspendu. La centrale illustre de manière impressionnante ce qui est possible aujourd’hui grâce à la technologie CCF - une production d’énergie locale négative en CO2, flexible, très efficace et à haute valeur ajoutée en Suisse.
* Kontakt: kurt.luescher@powerloop.ch (© G. Gust/123RF.com)
nötigt es Anlagen, die das bereits frei- gesetzte CO2 aus der Atmosphäre holen und speichern. Mit anderen Worten: Es müssen mehr Treibhausgase gebunden als emittiert werden. Das klimapositive Holzheizkraftwerk, das derzeit Energie 360° zusammen mit Schweizer Zucker in Frauenfeld realisiert, setzt dabei neue Massstäbe (Fig. 1). Anstatt die Umwelt mit Asche aus dem Verbrennungspro- zess weiter zu belasten, bleibt Kohlen- stoff im Kreislauf und wird in Form der Biokohle positiv verwertet. Dies ist aber nur eine ergänzende Eigenschaft des Kraftwerks. Der Fokus liegt auf der möglichst effizienten Umwandlung der Biomasse zu Strom und Wärme. Die eingesetzte Technologie bietet dazu die optimale Voraussetzung.
HOCHEFFIZIENT VERWERTETES RESTHOLZ
Die Basis für die klimafreundliche Ener- gie ist ein lokaler Rohstoff, der zurzeit oft ungenutzt bleibt: Schnittholz aus der Wald- und der Landschaftspflege, Sturmholz oder von Schädlingen befalle- nes Holz. Die Regionalität des Rohstoffes spielt dabei eine zentrale Rolle. Für den Betrieb der Anlage kann auf ein breites Sortiment von Restholz zurückgegriffen werden. Dies ermöglicht eine flexible und effiziente Zusammenarbeit mit den Partnern, die für die Brennstoffbeschaf- fung ausgewählt wurden. Zudem ist die Versorgung durch regionale Brennstoffe langfristig gesichert und die Transport- wege sind kurz.
NACHHALTIGKEIT ALS ZENTRALER FAKTOR Die beiden Unternehmen Energie 360°
und Schweizer Zucker haben die Um- setzung des Projekts genau geprüft und diverse am Markt verfügbaren Technolo- gien analysiert und bewertet.
Bei der Entscheidung für die Technologie standen vor allem die hohe energetische Nutzung der Biomasse und die Möglich- keit eines nachhaltigen Nebenprodukts im Zentrum. Zudem konnte der ausge- wählte Lieferant verschiedene kleinere Anlagen vorweisen, die seit Jahren mit einer hohen Verfügbarkeit betrieben werden.
Die beteiligten Unternehmen ergänzen sich für dieses Projekt hervorragend:
Energie 360° bringt als breit aufgestellte und sehr dynamische Energiedienstleis- terin grosses Know-how in der Energie-
transformation und im Projektgeschäft mit. Schweizer Zucker als lokal verwur- zeltes Unternehmen hat viel Wissen und Erfahrung im Betrieb von industriellen Anlagen und ist zudem gut in der Land- wirtschaft und über ihre Tochtergesell- schaft Ricoter im Bodensubstratmarkt verankert.
Für beide Unternehmen ist Nachhaltig- keit selbstverständlich und so steigern sie ständig und konsequent die Nachhal- tigkeit ihrer Betriebe und ihrer Energie- dienstleistungen. Perfekt dazu passt die Firma Syncraft®. Das Unternehmen baut hocheffiziente Holzkraftwerke mit einer selbst entwickelten Schwebefestbett- technologie. Während bei klassischen Festbettreaktoren die Schwerkraft so- wie die Gasströmung nach unten wirken und somit eine zunehmende Verdichtung des Reaktorinhalts verursachen, wirken beim Schwebefestbettreaktor diese bei- den Kräfte entgegengesetzt. Dadurch bleibt die Biokohleschüttung im Vergaser stets ideal gelockert und gut durchlässig, egal wie fein oder strukturiert das Hack- gut vorher war. Durch die Art und Weise der Vergasung im Schwebefestbettreak- tor entsteht nahezu kein Teer. Dadurch muss das Holzkraftwerk deutlich selte- ner gewartet werden als herkömmliche Holzvergasungsanlagen. Fremdkörper und Verschlackungen sind durch den aufwärts gerichteten Betrieb mühelos am Fusse des Schwebefestbettreaktors abziehbar.
Holzkraftwerke sind emissionsarm und statt Asche wird das Nebenprodukt Holz- bzw. Biokohle (bioenergy with carbon cap- ture and storage) erzeugt, und das anfal-
lende Kondensat kann in die Kanalisation eingeleitet werden.
BIOKOHLE ALS ZUKUNFTSTRÄCHTIGER KOHLENSTOFFSPEICHER
Die fossilen Brennstoffe Öl und Gas sind nicht erneuerbar und setzen bei der Ver- brennung jede Menge Kohlendioxid frei.
Gleiches gilt für Kohlekraftwerke: Um eine negative Emissionsbilanz zu erhal- ten, muss das Kohlendioxid in den Boden gepumpt werden. Dies kostet nicht nur zusätzliche Energie, sondern hat auch keinen Zusatznutzen.
Holz als nachwachsender Rohstoff ist da- her eine gute Alternative. Auch im Holz befindet sich CO2 aus der Luft, ein Teil da- von bleibt beim hier angewendeten Holz- kraftwerk in der Biokohle gespeichert und wird somit nicht freigesetzt. Die dadurch gesicherte emissionsfreie Ener- giegewinnung ist nur dank der vom Un- ternehmen patentierten Schwebefestbett- technologie möglich. Dadurch entfällt die Problematik «Wohin mit dem im Rohstoff gespeicherten CO2?».
Die Herstellung der hochwertigen Bio- kohle passiert nebenher und mindert die Strom- und Wärmebereitstellung nicht.
Aber sie speichert einen Teil des der At- mosphäre entzogenen Kohlenstoffs. Da- durch entsteht ein rentabler und umwelt- freundlicher Kreislauf, denn die Kohle kann positiv verwertet werden: etwa als Futterzusatz oder als Bodendünger. Letz- tere Nutzung vermindert gar den Einsatz von Düngemitteln. Konventionelle Holz- kraftwerke hingegen erzeugen keine Biokohle, sondern Asche – ein Abfallpro- dukt, das deponiert werden muss.
Fig. 1 Visualisierung der Gesamtanlage.
WIE FUNKTIONIERT DAS HOLZ- HEIZKRAFTWERK?
ANLIEFERUNG UND EINLAGERUNG
Mit einer Kapazität von 380 m3/h wird das angelieferte Hackgut von den LKW vollautomatisch über ein Förderband- system in einen definierten Bereich der
«Annahmebunker» befördert. Dabei wird das Hackgut von Überlängen und mag- netischen Metallen befreit. Von jeder Anlieferung wird eine Qualitätsanalyse
durchgeführt und der gelieferte Brenn- stoff nach definierten Kriterien transpa- rent abgerechnet.
B e f ül l ung der Tr o ckenb oxen
Nach einem vordefinierten Rezept wird aus den verschiedenen angelieferten Holzqualitäten die optimale Mischung für den Anlagenbetrieb bestimmt. Die- se wird durch die beiden automatischen Krananlagen mittels Batch-Verfahren in eine der acht Trocknungsboxen gefüllt.
Bei der Trocknung wird die Biomasse auf den für den Vergasungsprozess nötigen Wassergehalt von unter 10% getrocknet.
Die benötigte Energie wird der Kühlung der Prozesskomponenten entnommen.
Die warme Luft wird mit Gebläsen durch die Trockenböden in das Hackgut ge- führt. Luftmenge und Temperaturniveau können dabei individuell gesteuert wer- den.
Ma t er ial l ager und W o chenbunker
Die Biomasse wird nach dem Trocknungs- prozess durch die Krananlagen in die Wochenbunker geführt. Um die Verfüg- barkeit des Kraftwerks zu maximieren, steht pro Kraftwerkslinie ein Bunker mit integriertem Schubboden und Nachtrock- nungsmöglichkeit zur Verfügung. Somit wird sichergestellt, dass ein flexibler Trocknungsprozess bei maximaler Ver- fügbarkeit ermöglicht wird.
KERNPROZESS 2-s t u f ige G as ge w innung
In der Pyrolyse wird ein Teil der getrock- neten Biomasse durch Zugabe von Luft verbrannt (Schwelbrand bei rund 500 °C).
Durch die hohen Temperaturen wird die eingebrachte Biomasse in ihre festen und gasförmigen Bestandteile zerlegt.
Fig. 2 Prozessschema.
Fig. 3 Blockheizkraftwerk der Firma INNIO Jenbacher 420.
Das während der Pyrolyse erzeugte Gas weist einen noch hohen Anteil an Teeren auf (Fig. 2).
Die Oxidation der Pyrolyseprodukte fin- det am Eingang zum Reduktionsreaktor statt. In der Oxidationszone werden die Bestandteile aus der Pyrolyse durch eine weitere Zugabe von Luft teilweise ver- brannt. Durch die so entstehenden hohen Temperaturen von bis zu 900 °C wird na- hezu der gesamte Teeranteil aus der Py- rolyse aufgespalten respektive thermisch gecrackt. Somit findet ein wesentlicher Teil der Gasreinigung bereits in der Oxi- dationszone statt.
In der Reduktionszone erfolgt die eigent- liche Vergasung der Biomasse. Der feste Kohlenstoff aus dem Pyrolyseprozess bildet im Reduktionsreaktor ein stabiles, in Schwebe gehaltenes Festbett. Dieses Festbett wird durch das in der Oxidation erhitzte Gas durchströmt. Während dem Durchströmen kühlt das Produktgas, be- dingt durch endotherme Vergasungsre- aktionen, auf circa 750 °C ab und tritt an der Oberseite des Reaktors aus.
G askondi t ionier ung
Im Gasfilter wird das heisse Produktgas von Staub befreit. Diese sogenannte Bio- kohle wird aus dem Filter ausgetragen, befeuchtet und über zwei Förderbänder in die Bigbag-Abfüllstation gefördert.
Die Reinigung des Produktgases erfolgt nach dem Prinzip der Oberflächenfiltra- tion. Dabei wird eine Staubschicht auf keramischen Filterelementen aufgebaut, welche periodisch mit einem Druckpuls abgereinigt wird.
Das von der Biokohle getrennte Gas wird im zweistufigen Produktgaskühler von 750 auf rund 100 °C abgekühlt. Die aus der Gaskühlung gewonnene Wärmeener- gie wird einem Wärmenetz zugeführt.
Im Gaswäscher erfolgt die Abkühlung des Produktgases auf eine für den Gasmo- tor erforderliche Temperatur von 25 bis 30 °C. Durch die Abkühlung anfallendes Kondensat, das zugleich als Waschme- dium dient, wird unter Einhaltung der geforderten Grenzwerte in das Kanalisa- tionsnetz eingeleitet.
WKK-EINHEIT
Die Stromerzeugung erfolgt mit vier Blockheizkraftwerken (BHKW) mit je 1000 kW elektrischer Leistung durch hocheffiziente, turboaufgeladene Gas- Ottomotoren des Typs INNIO Jenbacher 420. Der erzeugte Strom wird in das ört-
liche Stromnetz eingespeist und über das Einspeisevergütungssystem (EVS) des Bundes subventioniert. Die in den Pro- zessschritten gewonnene Wärme wird in zwei Wärmekreisläufen zusammen- geführt und für das Wärmenetz bereitge- stellt. Die Wärme wird einerseits in den Nebenprozessen der Schweizer Zucker AG eingesetzt und kann dadurch den Anteil an erneuerbarer Energie deutlich steigern. Andererseits wird die Wärme via Fernwärmenetz im Quartier Frauen- feld West als Heizwärme für Wohn- und Gewerbebauten genutzt.
BIOKOHLE
Die im Prozess gewonnene Biokohle wird in Bigbags und Container abgefüllt und an Kunden verkauft. Die Biokohle kann für diverse Anwendungen eingesetzt werden.
Ein grosses Potenzial liegt in der Land- wirtschaft als Futtermittelzusatz oder als Mittel zur Geruchsemissionsreduktion der Gülle. Zudem wird die Biokohle als Bodenzusatzstoff verwendet und erreicht neben der CO2-Speicherung auch eine Reduktion der benötigten Düngemittel.
Weiter eignet sich die Biokohle als Was- serfilter auf Kläranlagen, wo sie in der 4. Stufe zur Beseitigung der Mikroverun- reinigungen eingesetzt wird.
ÖKOLOGIE IN DER BAUPHASE
Der ökologische Gedanke des Kraftwerks ist bereits im Bau ein zentraler Punkt.
Aufgrund der hohen statischen und me- chanischen Belastung muss ein Teil des Baukörpers in Beton ausgeführt werden (Fig. 4). Dabei wird höchster Wert auf einen möglichst hohen Anteil an Sekun- därrohstoffen gelegt, um somit den Kreis- lauf auch in der Bausubstanz zu schlies- sen. Der Rohstoff für den Holzaufbau, wenn möglich Käferholz, wird von regio- nalen Forstbetrieben bezogen und von lo- kalen Sägereien verarbeitet. Als nachhal- tiger Dämmstoff auf den Dachflächen wird Bauder Eco® eingesetzt, eine biomasseba- sierte Dämmung. Abgedichtet werden die rund 4000 m2 Dachfläche mit Bauder Karat Air+, das die Fähigkeit besitzt, den Schad- stoff NOx zu binden. Abgerundet wird der Dachaufbau mit einer PV-Anlage. Diese bringt eine Leistung von rund 350 kWp.
ERFOLGSREZEPT:
GEGENSEITIGES VERTRAUEN
Stefan Ellenbroek, Gesamtprojektleiter Bioenergie Frauenfeld, betont: «Für ein solches Pionierprojekt mit einem so en- gen Zeitplan muss man sich zu 100% auf seine Partner verlassen können.»
A mbi t ionier t er Z ei t pl an
Der Zeitplan ist äusserst ambitioniert für das Leuchtturmprojekt, dennoch haben sich die Partner im Januar 2020 gemein- sam entschieden, die Detailprojektierung zu starten, mit dem Ziel: Baustart im De- zember 2020 und Abschluss der Inbe- triebnahme bis Mitte 2022. Kurz darauf
Fig. 4 Luftaufnahme der Baustelle in Frauenfeld.
wurde die Zusammenarbeit durch den ersten Lockdown ein erstes Mal auf die Probe gestellt. Getrieben von der gemein- samen Vision, dieses Projekt zu realisieren, wurden sämtliche Prozesse komplett digitalisiert und die agile Projektierung via Videoplattformen und cloudbasierten Informationssystemen or- ganisiert. Das Ziel sollte sein, immer die aktuellsten Informati- onen zur Verfügung zu haben. Entgegen allen erschwerenden Umständen konnte der Baustart wie geplant im Dezember 2020 erfolgen und somit der Grundstein für eine erfolgreiche Inbe- triebnahme bis Mitte 2022 gelegt werden.
Re gional e P ar t ner f ir men
Zentral sind auch diverse regionale Partnerfirmen am Projekt beteiligt. Syncraft® setzt in dieser Leistungsklasse auf Gasmoto- ren-BHKW des Herstellers INNIO Jenbacher. Die IWK Integrierte Wärme und Kraft AG ist die lokale Vertreterin sowohl von IN- NIO Jenbacher als auch von Syncraft® und ist eine der führen- den Schweizer Firmen im Bereich der Wärme-Kraft-Kopplung (WKK). In diesem Projekt ist die IWK verantwortlich für die Lie- ferung, Installation und Inbetriebnahme der vier WKK-Aggre- gate in Form von BHKW mit je 1000 kW elektrischer Leistung.
Zusätzlich liefert und installiert die IWK die BHKW-Peripherie wie z. B. Lüftung, Schmierölsystem, Kamin und SCR-Katalysato- ren, durch welche die Einhaltung der Luftreinhalte-Verordnung (LRV) sichergestellt wird. Federführend in der Planung und der Bauleitung vor Ort sind die beiden Frauenfelder Unternehmen BHA Team und Innoraum.
FAZIT
Das Holzheizkraftwerk in Frauenfeld zeigt eindrücklich auf, wie in Zukunft Biomasse hocheffizient genutzt werden kann.
Mittelfristig wird ein erhöhter Strombedarf aus erneuerbarer Energie zu erwarten sein. Zeitlich beinahe deckungsgleich ist die jahreszeitbedingte Nachfrage nach erneuerbarer Heizwär- me. Mit den von Syncraft angebotenen Holzkraftwerken können modulare und dezentrale Kraftwerke dimensioniert werden, die optimal an die örtlichen Bedürfnisse angepasst sind. Die effizi- ente WKK-Technologie liefert erneuerbare Wärme, Strom und bindet einen Teil des Kohlenstoffes in der Biokohle. Somit wird der einheimische Rohstoff Holz lokal optimal genutzt und der Ressourcenkreislauf kann ohne grosse Transportwege geschlos- sen werden.
NEUE MASSSTÄBE IN DER DEZENTRALEN ENERGIEERZEUGUNG AUS BIOMASSE
Das Holzheizkraftwerk der Bioenergie Frauenfeld setzt neue Massstäbe in der dezentralen Energieerzeugung aus Biomasse auf Basis der WKK-Technologie. Es zeigt einen Weg auf, wie dezentrale Kraftwerke in Zukunft regionale Ressourcen ver- wenden können, ohne Abfall zu produzieren. Für solch ambiti- onierte Vorhaben braucht man jedoch die richtigen Partner mit der nötigen Überzeugung sowie attraktive gesetzliche Rahmen- bedingungen, um die Planungssicherheit für innovative Projek- te zu gewährleisten. Das Projekt zeigt eindrücklich, was heute mit WKK-Technologie möglich ist: lokale, flexible, hocheffiziente und CO2-negative Energiegewinnung, mit hoher Wertschöpfung in der Schweiz.
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